Diodes de roue libre avec un moteur unipolaire

Quand on alimente des moteurs, ou toute autre charge inductive, avec des transistors en commutation, le courant ne peut s'annuler d'un coup au blocage des transistors. Il faut en principe des diodes de roue libre pour permettre au courant de trouver un passage et décroître. Si on ne le fait pas, le courant passera dans un transistor, la tension va grimper jusqu'à ce qu'il lâche. Cela génère des perturbation électromagnétiques importantes et pourrait parait-il endommager les transistors (je n'y crois absolument pas, pour avoir fait pendant des années des TP avec des transistors 2N2222 en commutation chargés par une inductance. Tout le monde mesurait des tensions de l'ordre de 120V et aucun transistor n'a jamais lâché). Le choix et la position des diodes de roue libre pour la plupart des montages est une évidence, il n'en est pas de même avec l'alimentation d'un moteur unipolaire.

Voici à gauche le schéma d'une bobine avec sa diode de roue libre alimentée par un transistor. C'est un schéma classique.

Quand le transistor conduit, le courant croît dans l'inductance. Quand le transistor se bloque, le courant continue dans le même sens en décroissant. Il va donc passer par la diode de roue libre, puis devenir nul au bout d'un moment.

Il y a plusieurs moyens d'améliorer encore ce schéma, mais ici ce n'est pas le but.

Avec un moteur parfait

Dans un premier temps, je vais supposer que les deux enroulements de la même phase sont parfaitement couplées. C'est légitime car elles sont bobinées dans le même circuit magnétique.

Pour une phase du moteur pas à pas, il y a deux enroulements au lieu d'un seul. La première idée qui vient est donc de doubler le schéma, on aura bien un transistor par bobine. Cela donne:

Dans certains cas on trouve des diodes en parallèle sur les transistors, souvent par construction même du transistor. Ce montage fonctionne, il est usuel, mais on peut très facilement l'améliorer.

Voyons ce qui se passe pour nos deux bobines d'une seule phase:

Les deux bobines ne sont pas indépendantes. Elles sont bobinées sur le même noyau. Elles vont faire comme un transformateur. Pour les courants et tensions continus, ce qui se passe d'un côté ne regarde pas ce qui se passe de l'autre côté. Mais ce qui nous préoccupe aujourd'hui, c'est les transitoires, notamment quand on coupe le courant dans une phase. Cette dépendance recopie la tension d'une bobine sur l'autre. Voici ce qui se passe si on branche l'extrémité gauche de la première bobine: l'autre suit (les tensions sont opposées à cause du branchement):

Reprenons la figure de tout à l'heure, et alimentons le transistor T1 (je suppose tous les composants parfaits)

Au début tous les transistors sont bloqués, A, B et C sont au potentiel Vmoteur. Lorsque T1 commence à conduire, le potentiel de A descend pour aller au 0V. Le point C va donc vouloir monter pour aller à 2Vmoteur. Mais la diode D2 veille au grain et devient passante. Les deux parties ne sont plus indépendantes. On ne raisonne plus comme avant. En fait D2 met la bobine BC en court-circuit, et on a un transformateur dont on alimente le primaire (AB) et dont le secondaire (BC) est en court-circuit. C'est pas bon du tout. Quand on bloquera T1, la diode D1 jouera son rôle. Au passage à ce moment le point A remonte de Vmoteur, et donc le point C descend de Vmoteur. C se trouve au potentiel de la masse, et tout est correct de ce côté. Le problème c'est D1 et D2 au moment ou un transistor commence à conduire. Supprimons-les!

Quand les transistors sont bloqués, A B et C sont au potentiel Vmoteur. Quand T1 commence à passer, le point A voit son potentiel passer à 0V, et par conséquent C passe à 2Vmoteur. C'est plus que prévu, mais cela ne pose en principe pas de problèmes. On a réglé un problème. Mais pas celui de l'arrêt, vu que l'on a supprimé D1! Voyons ce qui se passe alors. T1 est conducteur depuis longtemps. A est à 0V, l'influence des bobines l'une sur l'autre est terminée, B et C sont au potentiel Vmoteur. Au moment où l'on bloque T1, Le courant I ne devant pas s'annuler immédiatement, le potentiel de A va grimper, et celui de C va donc descendre. Maintenant, non seulement A monte, mais en plus C devient négatif. Et c'est la que l'on peut faire un miracle: il suffit de mettre une diode qui empêche le potentiel de C de descendre en dessous du 0V (Elle protégera le transistor T2):

Et voila! Comme la tension du point C ne peut que descendre de Vmoteur, la tension du point A ne peut plus monter que de Vmoteur. Comme il était à 0, il va rejoindre le potentiel de B. Il n'y a pas de surtension.

Pour comprendre un peu mieux ce qui se passe, quand T1 passe, la bobine AB emmagasine de l'énergie, et quand on bloque T1, c'est la bobine BC qui va rendre cette énergie.

J'ai supposé tout à l'heure que les commutations étaient suffisamment lentes pour que les effets du couplage des bobines soit terminés. Si il n'en était pas ainsi, avant le blocage de T1, le potentiel de C serait entre Vmoteur et 2Vmoteur. Le potentiel de C peut descendre alors entre Vmoteur et 2Vmoteur, et A peut monter d'autant. On va retrouver alors en A au maximum 2Vmoteur. C'est effectivement ce que j'ai observé avec un moteur.

Ce montage présente aussi un très gros avantage: quand le courant des bobines décroît suite à un blocage d'un transistor, la bobine qui libère l'énergie à un potentiel de Vmoteur à ses bornes. On se retrouve avec une décroissance comme si on avait une zéner. Mais on a payé qu'une diode.

Maintenant si vous voulez absolument mettre une diode en parallèle sur l'enroulement, pour éviter le court-circuit mettez une diode avec une zéner correspondant à la tension d'alimentation. Mais je n'ai pas vu chez les fabricants de schéma avec une diode zéner en parallèle sur les enroulements.

Avec un moteur non parfait

Si les couplages ne sont pas parfait, le montage ci-dessous n'est plus exact:

Cela va se traduire par des tensions légèrement différentes. On peut alors dépasser un peu les 2Vmoteur.

Essais

Comme je suis curieux, j'ai quand même fait des essais. Je m'attendais à voir le courant de l'alimentation augmenter du fait qu'au début où T1 conduit, un enroulement se trouve en court-circuit et donc consomme pour rien. Mais je n'ai pas constaté d'augmentation significative de ce phénomène. Je suis déçu.

Par contre, la décroissance plus rapide du courant améliore significativement les performances du moteur si on va suffisamment vite. Pour les vitesses de rotation faibles, on atteindra au final le même couple. Avec les deux diodes bien placées ou non, j'ai bien constaté que le couple était identique. Mais avec les diodes bien placées, la limite en vitesse est 3 fois plus haute (530pas/s au lieu de 150pas/s avec mon moteur), et pour certaines vitesses, je note une vraie augmentation du couple: pour 40pas/s le couple passe de 4,8Nm à 5,8Nm.

Conclusion: Le montage avec des diodes en parallèle sur les transistors est bien meilleur et n'est pas plus cher. Autant ne pas s'en priver.